가스와 먼지로 둘러싸인 극대질량 블랙홀의 상상도. 출처=Robert Lea(created with Canva)/NASA

중력이 매우 커서 어떤 물질도 탈출할 수 없는 블랙홀이 모든 거대 은하의 중심에선 초대질량으로 숨어있을 것으로 과학자들은 예측한다. 초대질량 블랙홀은 수백만 또는 수십억 개의 태양과 같은 질량을 가졌고, 어떤 것은 태양질량의 100억 배 이상인 ‘극대질량 블랙홀’이 되기도 한다.

현재 밝혀진 가장 거대한 블랙홀은 피닉스 A로, 이 블랙홀이 존재하는 피닉스 성단 역시 지금까지 발견된 가장 무거운 성단 중 하나로 꼽힌다. 58억 광년 떨어진 피닉스 A의 질량은 태양의 1000억 배로 추산된다. 또 다른 거대 블랙홀은 약 10억 광년 떨어진 곳에 있는 토난친틀라 618(Ton 618)로, 태양 질량의 660억 배로 추정한다.

​피닉스 A와 Ton 618 같은 괴물 같은 극대질량 블랙홀이 과연 얼마나 더 커질 수 있는지, 그 한계가 과학자들의 오랜 궁금증이다.

프리얌바다 나타라잔 미국 예일대 천문물리학과 교수팀은 그 답을 찾았다고 발표했다.

​나타라잔은 “극대질량 블랙홀과 초질량 블랙홀은 각각 태양 질량의 100억 배, 1000만 배를 초과하는 블랙홀로 정의한다”며 “따라서 극대질량 블랙홀은 평균적으로 초질량 블랙홀보다 1만 배 더 무겁다”고 설명했다.

BCG, 극대질량 블랙홀이 숨는 최적의 장소나타라잔은 극대질량 블랙홀이 어디에 있는지 알아내기 위해 단서를 제시했다. 은하 중심에 품고 있는 초질량 블랙홀은 그 은하 내 별의 총질량과 상관관계가 있다는 것이다. “이러한 상관관계는 블랙홀이 성장하는 방식과 그 은하계에서 별이 형성되는 방식 사이에 깊고 심오한 연관성이 있음을 시사한다”는 게 나타라잔의 설명이다.

극대질량 블랙홀은 가장 많은 별을 품어 가장 밝은 은하계에 있어야 한다. 

‘가장 밝은 중앙 은하계’(Brightest Cluster Galaxy, BCG)로 알려진 은하계 군집 중심에 있는 밝은 은하가 극대질량 블랙홀을 품기에 최적의 후보라는 의미다.

나타라잔은 ​“극대질량 블랙홀은 BCG의 중심에서 발견됐다. 놀라운 점은 모든 크기의 블랙홀이 본질적으로 우주 모든 곳에 흩어져 있다는 것이다”라고 전했다. 이어 “은하 하나가 블랙홀 집단 여럿을 품고 있고, 은하의 밝기에 따라 극대질량 블랙홀 또는 중심부에 초질량 블랙홀이 있다”면서 “중심에서 벗어나 분포하는 블랙홀은 초질량부터 더 낮은 질량까지 다양할 수 있다”고 덧붙였다.

‘식탐가’ 블랙홀, 질량의 한계를 짓는 방식은​은하계를 지배하는 우주의 괴물들은 무한 성장할 수는 없는 걸까? 그들에게 부과된 유일한 한계는 그들에게 가해지는 가스, 먼지, 별의 양과 그들이 ‘먹을’ 수 있는 시간의 양이다. 블랙홀은 실제로 스스로에 이러한 성장 한계를 부과한다.

나타라잔은 ​“가스가 은하 중심에서 흘러들어 초질량 블랙홀에 공급되지만 모든 가스가 초질량 블랙홀의 지평선까지 도달하여 흡수되는 것은 아니”라며 “일부만이 유입되고 나머지는 블랙홀에 의해 흩어진다. 블랙홀은 극도의 식탐가”라고 덧붙였다.

블랙홀에 떨어지지 않는 가스 일부는 강력하고 빠르게 분출되는 ‘천체물리학적 제트’로 폭발되며, 이는 은하 너머 수십 광년까지 뻗어나갈 수 있다.

이러한 유출은 주변 은하 블랙홀에서 더 멀리 떨어진 가스를 가열하고 변형시켜 별의 탄생에 직접적인 영향을 미친다. 나타라잔은 “별은 가스와 먼지 구름이 식고 응축될 때 형성되는데, 제트가 이 가스를 가열하고 응축을 제지해 별 형성을 막는다”고 설명한다.

제트의 작용은 가스를 은하 중심에서 밀어내 블랙홀로 흘러가는 물질의 ‘먹이 공급원’ 또한 차단하여 가스 유출을 자체적으로 조절한다. 이는 블랙홀 성장에 대한 자연스러운 순환과정을 시사한다.

나타라잔은 가스가 은하의 나머지 부분에서 중심 영역으로 흘러들 가능성이 없기 때문에 은하 내부 영역의 가스가 완전히 소모되면 블랙홀은 성장에 방해를 받는다고 밝혔다.

블랙홀이 성장하는 방식이나, 먹이 공급을 차단하고 성장을 저해하는 것으로 보이는 자연적 피드백 시스템을 고려할 때 초거대 블랙홀의 한계는 약 1000억 태양 질량이 된다.

나타라잔의 이론이 맞다면 피닉스 A는 우리가 지금까지 발견한 가장 거대한 블랙홀일 뿐만 아니라 우리가 발견할 수 있는 가장 큰 블랙홀일 수도 있다.

나타라잔 팀은 초거대 블랙홀과 항성 질량 블랙홀 사이의 블랙홀을 조사할 예정이다. 후자 그룹의 구성원은 태양보다 약 100배 더 무겁고 수명이 다한 거대한 별의 붕괴를 통해 형성된다. 초질량과 항성질량 사이의 흥미로운 집단은 ‘중간질량 블랙홀’로 알려져 있으며, 천문학자들이 이를 찾는 데 어려움을 겪었다.

나타라잔은 “초질량 블랙홀과 항성질량 블랙홀 사이의 격차를 메우겠다”면서 “태양 질량의 1000~1만배에 달하는 질량을 가진 중간질량 블랙홀이 많이 있어야 하는데, 우리는 지금 막 이를 발견하기 시작했다”고 밝혔다.

이 연구는 논문 저장소 사이트 아카이브(arXiv)에 게재됐다.

이광식 과학 칼럼니스트 ©나우뉴스